电子产品中电源电路的设计举例

  1. 需求分析: 这是项目启动后的第一步，是非常关键的，影响到后期的设计复杂度以及时间进度等等。
    • 功能 － 输入电压、电流（变动范围）；输出电压、电流等，还要达到总体的功率指标，实现系统最大转换效率。
    • 性能 － 输出电压上的纹波大小、带负载的能力、效率、发热程度等
    • 成本 － 系统综合成本，不仅计算核心器件，还要包括外围器件，比如电感或线圈、电容、驱动MOSFET管等等；板卡面积的增加也会导致系统成本的增加；设计工具、测试设备等等可能带来的系统成本的增加也都一并考虑在内。
    • 空间 － 任何一个电子产品都是有空间尺寸的限制的，尤其是电源部分在一个电子产品中放置的位置是非常讲究的，要考虑到周边其它电路的空间位置、关键接插件的位置及方向，还有散热、干扰在空间的分布等因素。
    • 时间点 － 电子产品都有其设计到生产的生命周期，设计的难易程度、元器件的选择等都会直接影响到产品的上市时间，任何一个项目都要以产品规定的时间节点为基础做项目进程的规划。
  2. 方案确定:
    • 线性稳压 － 电路简单、纹波小，对输入端的毛刺抑制度（PSRR）高，但能量的损耗都以发热的方式通过器件扩散
    • 开关稳压 － 输入电压范围广、效率高，开关噪声大
    • 充电 － 是否需要电池供电，以及对充电电池的充电要求
  3. 器件选型:
    • 功能：满足输入／输出电压及电流要求
    • 性能：尽可能低的纹波、噪声，尽可能高的转换效率
    • 价格：整体系统成本较低
    • 供货渠道：容易购买
  4. PCB设计:
    • 库 － 原理图库／pcb封装库
    • 原理图 － 参照厂商官方提供的推荐电路和器件选择，但需要灵活处理
    • 布局 － 根据板卡的空间需要、重要接插件的位置以及关键电压的流向
    • 布线 － 根据承载的电流大小选择不同长／宽度（影响到阻抗）的走线
    • BOM － 在完成原理图设计的时候就要生成BOM，以便备货
    • 可制造性 － 设计中要考虑到各种可制造性设计需要的因素
  5. 安装、调试
    • 测试方案：焊接、加电的顺序，测试信号的顺序以及方法
    • 焊接技巧：SMT器件的焊接以及关键元器件的安装顺序
    • 调试顺序：沿着信号流进行调试，设置合适的断点进行隔离调试，让问题局限在尽可能小的范围内
    • 测试点：在PCB设计的时候关键信号要放置测试点，在调试的时候通过对测试点的检测以判断电路的工作状况
  6. 性能测试:
    • 仪器使用：充分利用以及正确设置可调电源、万用表、信号发生器、示波器
    • 负载能力：多个输出的情况下，先逐个输出测试一下其负载能力，以及在满负载的情况下纹波的状况，再测试各级输出都加上负载的情况下电路的工作状况以及各个输出端的纹波能力。
    • 容限：可承受的输入变化范围
  7. 设计报告:
    • 模版格式：提供标准的测试模版格式供学员参考
    • 总结汇报：PPT／DOC格式的报告

2 电子产品的供电方式

  • 低压交流供电
  • 低压直流 － 笔记本电脑、手机、常用电器
  • －48V供电 －电话交换机

3 从高压交流到低压直流变换

  • 线性稳压电源：50Hz工频，体积大、效率低，没有开关噪声，输入电压范围窄
  • 开关电源：10KHz ～ 100KHz，可以采用较小的变压器，输入电压范围宽，效率高，开关噪声大

低频的电源变换方案

常见的高压AC－低压DC电源适配器

4 从DC到DC变换的基本稳压方式及概念

4.1 线性稳压:

  • 线性稳压的基本概念
  • 固定输出线性稳压器件 － 正电压输出的78xx，以及负电压输出的79xx
  • 可调输出线性稳压器件 － LM317

4.2 LDO:

4.3 开关稳压:

5 电源变换中的常用元器件及选型

6 典型电源电路的系统设计

6.1 设计要求

  • 输入接口：USB
  • 输入电压：＋5V／1A
  • 输出电压：
    • ＋1.2V供内核电压，最大电流500mA
    • ＋3.3V供数字电路及接口电压，最大电流100mA
    • ＋／5V供模拟电路，最大电流100mA
  • 尽可能高转化效率
  • 尽可能低的系统成本

6.2 方案选择

USB直流电压输入多路直流输出方案框图

说明：

  • 3.3V@100mA@数字，可以直接从USB的输入电压通过一个LDO（典型压降为1.2V）得到，一般USB端口通过USB线到达电路板会有一定的压降，压降值取决于USB线的粗细、长短、材料（决定了阻抗）以及负载电路板所需要的电流，在本设计中我们假设USB线最大的压降为0.5V，也就是在电源板的输入端能够保证4.5V－5V之间的直流供电。考虑到系统成本，在此设计中我们采用了最常用的、价格便宜而外围电路非常简单的1117-3.3V LDO稳压器来产生3.3V@100mA的电压，此路的最大功耗为0.33W，效率为3.3/4.5（73%） ～ 3.3／5（66%）。如果需要电流更大，可以考虑采用转换效率超过75%以上的开关稳压器件产生3.3V，当然这会导致系统的成本略微增加
  • 1.2V@500mA@数字，必须用开关稳压的方式来产生，在此我们选择了一款性价比很高的由Microchip公司提供的开关稳压器件MCP1603，能够满足系统的要求
  • ＋5V@100mA@模拟，先通过MC34063将输入范围在4.5V－5V之间的直流电压调整到＋6.5V（有开关噪声），再通过最低压降为1.2V的LDO 1117-5产生＋5V的、干净的直流电压
  • －5V@100mA@模拟，先通过MC34063将输入范围在4.5V－5V之间的直流电压调整到－7.5V（有开关噪声），再通过最低压降为2.5V的线性稳压器79L05产生－5V的，干净的直流电压
  • ＋／－5V的产生可以有多种方案，在此处采用两颗MC34063并产生不同的输出电压，主要是为了让大家对比体会79L05和1117-5之间的差别，也就是常规的线性稳压器和LDO之间的差异

6.3 相关器件资料:

7 电源电路的PCB设计

  • 正确建立器件的封装，尤其是二极管（极性）、三极管（编号）、SOT223的管脚、USB接头
  • 原理图注意信号流向、关键信号标注、测试点
  • PCB布局 － 接插件、信号流向
  • PCB布线 － 大功率的走线

学员将用Altium Designer设计软件进行PCB板的设计，由于这个电路比较简单，只需要2层板就可以了，PCB设计的指导文档请参考： {{:ecbc电路板pcb设计要点.pdf|PCB设计要点PPT} }

8 电源电路的调试

9 电源电路的性能测试

电源电路主要测试的指标有：

  • 电压值 ：电压值是否准确会直接影响到供电设备是否能正常运行，一般的电压值包括空载电压和满载电压，应充分考虑满载时的压降
  • 电流值 ：电流值也常被称为带载能力，一般该参数由所用的电源芯片决定。通过评估所供电路的电流值，在选择电源芯片时应选择额定电流大于所需电流，但不建议选择额定电流比所需电流大较多的芯片。
  • 电源纹波 ：电源纹波是供电电路中另一重要参数
  • 增大负载电流输入端的电压变化（从5V降低到4.5V），变换不同的USB连线测试，变换负载的大小进行测试

10 主要电源器件厂商